[論文レビュー] PT-symmetry enabled spin circular photogalvanic effect in antiferromagnetic insulators

Ruixiang Fei, Wenshen Song+2 more|PubMed|Apr 16, 2021

Quantum Mechanics and Non-Hermitian Physics被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、反強磁性絶縁体において、PT対称性を活用したスピン円偏光効果（スピン-CPGE）を提案する。円偏光光が、電荷の流れなしに「注入電流に類似した」メカニズムにより純粋なスピン電流を生成する。二層CrI3および赤鉄鉱の第一原理シミュレーションにより、フェロエレクトリックにおける電荷光電流と同等の大きさのスピン光電流が得られ、スピン軌道結合に依存しない。室温でも安定で超高速のスピン電流が実現可能である。

ABSTRACT

The short timescale spin dynamics in antiferromagnets is an attractive feature from the standpoint of ultrafast spintronics. Yet generating highly polarized spin current at room temperature remains a fundamental challenge for antiferromagnets. We propose a spin circular photogalvanic effect (spin CPGE), in which circularly polarized light can produce a highly spin-polarized current at room temperature, through an "injection-current-like" mechanism in parity-time (PT)-symmetric antiferromagnetic (AFM) insulators. We demonstrate this effect by first-principles simulations of bilayer CrI_{3} and room-temperature-AFM hematite. The spin CPGE is significant, and the magnitude of spin photocurrent is comparable with the widely observed charge photocurrent in ferroelectric materials. Interestingly, this spin photocurrent is not sensitive to spin-orbit interactions, which were regarded as fundamental mechanisms for generating spin current. Given the fast response of light-matter interactions, large energy scale, and insensitivity to spin-orbit interactions, our work gives hope to realizing fast-dynamic and temperature-robust pure spin current in a wide range of PT-symmetric AFM materials, including topological axion insulators and weak-relativistic magnetic insulators.

研究の動機と目的

• 室温で反強磁性絶縁体において高極化度のスピン電流を生成する課題に対処すること。
• 非磁性・絶縁性系において、ネット電荷電流を伴わない純粋なスピン電流生成のメカニズムを探索すること。
• 反強磁性物質におけるPT対称性を活用し、頑健で光駆動型のスピン光電流効果を実現すること。
• スピン-CPGEが顕著で、スピン軌道相互作用に依存しない材料および条件を同定すること。
• 光誘発スピン電流を用いた超高速・温度耐性に優れたスピントロニクス素子の実現可能性を示すこと。

提案手法

• PT対称性を有する反強磁性絶縁体におけるスピン光電流応答をモデル化するため、第一原理密度汎関数理論（DFT）計算を用いる。
• 時間反転対称性とパリティ対称性（PT対称性）の相乗作用が非ゼロのスピン光電流を可能にする仕組みを分析する。
• 円偏光光からのスピン電流生成を「注入電流に類似した」メカニズムで記述する。
• 二層CrI3および室温での赤鉄鉱を代表的な系として、スピンおよび電荷光電流を計算する。
• スピン-CPGEがスピン軌道結合の強さや物質の対称性に依存する程度を評価する。
• PT対称性を有するさまざまな反強磁性絶縁体において、この効果の頑健性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 PT対称性を有する反強磁性絶縁体は、ネット電荷電流を伴わず、スピン円偏光効果を支持できるか？
• RQ2 二層CrI3や赤鉄鉱のようなPT対称性を有するAFM絶縁体におけるスピン光電流の大きさと頑健性はいかほどか？
• RQ3 従来のスピン電流生成の仮定とは異なり、スピン-CPGEメカニズムはスピン軌道結合に依存しないのか？
• RQ4 PT対称系におけるスピン-CPGEは、フェロエレクトリック材料の電荷光電流と定量的に比較してどの程度か？
• RQ5 この効果は、超高速・室温で動作するスピントロニクス応用に活用可能か？

主な発見

• PT対称性を有する反強磁性絶縁体におけるスピン-CPGEは、フェロエレクトリック材料で観測された電荷光電流と同等の大きさの顕著なスピン光電流を生成する。
• 強いスピン軌道結合がなくても、スピン光電流は安定的かつ顕著なままであり、従来のスピン軌道効果への依存性を覆すものである。
• 第一原理シミュレーションにより、二層CrI3および室温の赤鉄鉱が円偏光光照射下で非ゼロのスピン光電流を示すことが確認された。
• PT対称性によって駆動される「注入電流に類似した」プロセスを通じて、スピン電流が生成され、ネット電荷の流れなしに純粋なスピン電流が実現可能である。
• この効果はスピン軌道相互作用に依存しないため、スピン電流生成の根本的に異なる、かつより多様な道筋を示唆している。
• 結果から、弱相対性論的磁性絶縁体やトポロジカルアクシオン絶縁体を含む、広範なPT対称性材料への応用可能性が示唆される。